(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物表面（６５）の測定点の３Ｄ座標を外部対象物座標系において決定するための測定システム（１０）であって、
三角測量の原理を基礎とする光学的な走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）と、参照付け装置（３０，３０ａ，３０ｂ，７０ａ，７０ｂ）と、評価ユニット（３４）とを備えており、
前記光学的な走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）は、前記対象物表面（６５）の前記測定点を光学的に測定し、且つ、内部走査座標系において内部測定点座標を決定し、
前記参照付け装置（３０，３０ａ，３０ｂ，７０ａ，７０ｂ）は、前記外部対象物座標系において前記内部測定点座標を参照付けるための参照付け情報を形成し、
前記評価ユニット（３４）は、前記内部測定点座標及び前記参照付け情報に依存して、前記外部対象物座標系において前記測定点の３Ｄ座標を決定し、それにより、前記内部測定点座標は前記外部対象物座標系における３Ｄ座標として存在する、測定システム（１０）において、
前記走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）を搭載している、無人制御可能なオートモービル・エアークラフト（２０）が設けられており、
制御ユニット（４０）が設けられており、該制御ユニット（４０）は、
前記走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）を用いて決定されたその都度最新の内部測定点座標を考慮して、及び／又は、
ディジタルモデルによって事前に規定されている、前記ディジタルモデルによって規定された飛行ルート（８１，８２）に沿った対象物表面を考慮して、
事前に規定された前記対象物表面（６５）迄の測定距離を維持しながら、前記エアークラフト（２０）を前記対象物表面（６５）に相対的に自動制御で移動させるように構成されている、
ことを特徴とする、測定システム（１０）。
【請求項２】
多数の３Ｄ座標を決定するための測定システム（１０）であって、
前記光学的な走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）は、前記対象物表面（６５）の前記測定点を点毎に光学的に測定し、
前記内部測定点座標は点群として存在し、
前記エアークラフト（２０）は、ホバリング状態で配向可能且つ移動可能であるように構成されている、
請求項１記載の測定システム（１０）。
【請求項３】
前記参照付け装置（３０，３０ａ，３０ｂ，７０ａ，７０ｂ）を用いて連続的に決定される、前記走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）の測定位置及び測定配向に依存して、及び／又は、前記走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）を用いて決定される、前記対象物表面（６５）迄の測定距離に依存して、前記エアークラフト（２０）を自動制御で前記対象物表面（６５）に相対的に移動可能及び配向可能であるように、前記制御ユニット（４０）は構成されている、
及び／又は、
前記対象物表面（６５）の位置及び／又は目標経過を事前に規定することができ、ディジタルモデルであるＣＡＤモデルによって設定することができ、事前に規定された前記対象物表面（６５）に基づき、各表面目標座標が各３Ｄ座標と比較され、事前に規定された参照点（６１）の参照付けによって前記参照付け装置（３０，３０ａ，３０ｂ，７０ａ，７０ｂ）が前記対象物表面（６５）に参照付けられる、及び／又は、
前記走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）は、前記エアークラフト（２０）の移動時にスキャンストライプを形成する光学的なスキャン装置、及び／又は、前記測定点座標を決定するために画像シーケンスを使用する測定システムを有し、前記走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）はラインスキャナ、ストライプ投影スキャナ及び／又はカメラを有する、
請求項１または２に記載の測定システム（１０）。
【請求項４】
前記飛行ルート（８１，８２）は表面位置及び表面目標経過に依存して自動的に決定され、
スキャン経路、スキャン時間、スキャン精度、前記エアークラフト（２０）の移動安定性、前記エアークラフト（２０）の位置決定及び配向決定に関して、及び／又は、対象物である障害物迄の距離を測定するセンサによって距離を決定することができる衝突回避に関して、前記飛行ルート（８１，８２）及び／又は飛行速度が最適化され、
前記スキャンストライプを前記飛行ルート（８１，８２）に依存して少なくとも部分的に重畳させ、それによって、
前記スキャン精度、前記スキャン経路及び前記スキャン時間を調整する、及び／又は、
前記エアークラフト（２０）及び／又は前記走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）の移動及び配向を、前記スキャンストライプの重畳領域の分析によって、画像処理によって決定する、及び／又は、位置調整する、
請求項３に記載の測定システム（１０）。
【請求項５】
前記参照付け装置（３０，３０ａ，３０ｂ，７０ａ，７０ｂ）は、
前記走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）の外部測定位置を前記対象物座標系に関して決定するように構成されている位置決定装置を有し、及び／又は、
前記走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）の測定配向を前記対象物座標系に関して決定するように構成されている配向決定装置を有し、
前記走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）の測定位置及び測定配向を、前記走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）に対する前記エアークラフト（２０）の既知の位置関係及び配向関係によって決定し、エアークラフト位置及びエアークラフト配向を前記参照付け装置（３０，３０ａ，３０ｂ，７０ａ，７０ｂ）によって決定する、
請求項３又は４に記載の測定システム（１０）。
【請求項６】
前記走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）及び／又は前記エアークラフト（２０）は反射器（２３）を有しており、
前記参照付け装置（３０，３０ａ，３０ｂ，７０ａ，７０ｂ）は測地的な測定機器であるトータルステーション又レーザトラッカ（３０，３０ａ，３０ｂ）を有しており、
前記測地的な測定機器は少なくとも、
距離測定用の光学的な測定ビーム（３３，３３ａ，３３ｂ）を形成するビーム源と、
垂直軸を規定するベースと、
前記測定ビーム（３３，３３ａ，３３ｂ）を放射し、且つ、前記反射器（２３）において反射された前記測定ビームの少なくとも一部を受信するビーム偏向ユニット（３２，３２ａ，３３ｂ）であって、光学的な目標軸を配向するために、前記垂直軸周りに、及び、該垂直軸に実質的に直交する傾斜軸周りに、前記ベースに相対的にモータにより揺動可能であるビーム偏向ユニット（３２，３２ａ，３３ｂ）と、
前記目標軸の配向を高精度で検出する角度測定機能と、
前記ビーム偏向ユニット（３２，３２ａ，３３ｂ）の配向を制御し、且つ、データを記憶する評価手段と、
を備えており、
前記測定ビーム（３３，３３ａ，３３ｂ）は前記反射器（２３）に連続的に配向され、それにより前記走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）の測定位置及び／又はエアークラフト位置が決定され、
前記走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）及び／又は前記エアークラフト（２０）に伝送可能な信号（３５）は、
前記エアークラフト（２０）に対応付けられている第１の処理ユニットにおいて、前記エアークラフト（２０）を制御するための制御データに変換することができる位置情報を有するか、又は、
前記参照付け装置（３０，３０ａ，３０ｂ，７０ａ，７０ｂ）に対応付けられている第２の処理ユニットを用いて前記位置情報から求めることができる、前記エアークラフト（２０）を制御するための制御データを有する、
及び／又は、
前記参照付け装置（３０，３０ａ，３０ｂ，７０ａ，７０ｂ）は、ＧＰＳ、ＧＬＯＮＡＳＳ又はＧａｌｉｌｅｏによって代表される、ＧＮＳＳ信号を供給する少なくとも一つのＧＮＳＳ衛星を有し、
前記走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）及び／又は前記エアークラフトは受信ユニット（２６）であるＧＮＳＳアンテナを有し、それにより前記ＧＮＳＳ信号を受信し、該受信したＧＮＳＳ信号から前記走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）の測定位置を決定し、
前記参照付け装置（３０，３０ａ，３０ｂ，７０ａ，７０ｂ）は位置決め信号（７１）を送信する擬似衛星モジュール（７０ａ，７０ｂ）を有し、
前記走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）及び／又は前記エアークラフト（２０）の前記受信ユニット（２６）は、前記位置決め信号（７１）を受信し、且つ、該受信した位置決め信号（７１）から前記走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）の測定位置及び／又は測定配向を決定するように構成されている、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の測定システム（１０）。
【請求項７】
前記参照付け装置（３０，３０ａ，３０ｂ，７０ａ，７０ｂ）は、
前記走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）及び／又は前記エアークラフト（２０）に対応付けられており、且つ、前記走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）の測定配向及び／又は測定位置を決定するセンサユニット（２７）を有し、前記センサユニット（２７）は傾斜センサ、磁力計、加速度センサ、角速度センサ及び／又は速度センサを有する、
及び／又は
前記走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）及び／又は前記エアークラフト（２０）は、測定配向を表すマーカ（２４）を有し、前記マーカ（２４）は所定のパターン、擬似ランダムパターン、バーコード及び／又は発光ダイオードを有し、
前記参照付け装置（３０，３０ａ，３０ｂ，７０ａ，７０ｂ）は、前記マーカ（２４）を検出し、該マーカ（２４）の姿勢及び配置から前記走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）の測定配向を決定する検出ユニット（３１，３１ａ，３１ｂ）であるカメラを有する、
及び／又は、
前記参照付け装置（３０，３０ａ，３０ｂ，７０ａ，７０ｂ）は、前記エアークラフト（２０）の画像を検出する距離画像検出ユニットであるＲＩＭカメラを有し、前記検出時に、前記画像から輪郭が導出され、及び／又は、画素に依存する、前記エアークラフト（２０）迄の距離データが導出され、該データから前記測定配向及び／又は前記測定位置が決定される、
及び／又は、
前記エアークラフト（２０）は測定周囲内に配置されている、所定のパターン又は擬似ランダムパターンを含む位置マーカを検出する周囲検出ユニットであるカメラを有し、前記画像において検出された前記位置マーカの姿勢及び配向から前記測定配向及び／又は前記測定位置が決定される、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の測定システム。
【請求項８】
対象物表面（６５）の測定点の３Ｄ座標を外部対象物座標系において決定するための方法であって、
三角測量の原理を基礎として、前記対象物表面（６５）の前記測定点を光学的に走査し、内部走査座標系において局所的な測定点座標を決定するステップと、
参照付け情報を前記外部対象物座標系において前記局所的な測定座標を参照付けるために形成するステップと、
前記局所的な測定点座標及び前記参照付け情報に依存して前記外部対象物座標系において前記測定点の３Ｄ座標を決定し、それにより前記局所的な測定点座標を前記外部対象物座標系における３Ｄ座標として存在させるステップと、
を備えている、３Ｄ座標を決定するための方法において、
無人制御可能なオートモービル・エアークラフト（２０）によって局所的な走査のオフセットを行い、
前記エアークラフト（２０）を、
決定されたその都度最新の内部測定点座標を考慮して、及び／又は、
ディジタルモデルによって事前に規定されている、前記ディジタルモデルによって規定された飛行ルート（８１，８２）に沿った対象物表面を考慮して、
事前に規定された前記対象物表面（６５）迄の測定距離を維持しながら自動制御で前記対象物表面（６５）に相対的に移動させる、
ことを特徴とする、３Ｄ座標を決定するための方法。
【請求項９】
多数の３Ｄ座標を決定するための方法であって、
局所的な測定点座標を決定する前記ステップは、前記対象物表面（６５）の前記測定点を点毎に空間的にずらして局所的に光学的に走査するステップを含み、
前記参照付け情報は、外部の測定位置及び測定配向を含み、
前記局所的な測定点座標は点群として存在し、
前記エアークラフト（２０）をホバリング状態で配向及び移動させる、
請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記エアークラフト（２０）を、連続的に決定された、前記外部測定位置及び前記外部測定配向に依存して、及び、前記対象物表面（６５）迄の測定距離に依存して、自動制御で前記対象物表面（６５）に相対的に移動及び配向させる、
及び／又は、
前記対象物表面（６５）の位置及び／又は目標経過を事前に規定し、ディジタルモデルであるＣＡＤモデルによって設定し、事前に規定された前記対象物表面（６５）に基づき、各表面目標座標を各３Ｄ座標と比較し、事前に規定された参照点（６１）の参照付けによって参照付け装置（３０，３０ａ，３０ｂ，７０ａ，７０ｂ）を前記対象物表面（６５）に参照付ける、
及び／又は、
前記測定点の走査を、スキャンストライプを形成するスキャン装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）を用いて光学的にスキャンすることにより行う、及び／又は、前記測定点座標を決定するために画像シーケンスを使用する測定システムを用いて光学的に行う、
請求項８又は９に記載の３Ｄ座標を決定するための方法。
【請求項１１】
前記飛行ルート（８１，８２）を表面位置及び表面経過に依存して、自動的に決定し、  スキャン経路、スキャン時間、スキャン精度、前記エアークラフト（２０）の移動安定性、前記エアークラフト（２０）の位置決定及び配向決定に関して、及び／又は、対象物である障害物迄の距離を決定する衝突回避に関して、前記飛行ルート（８１，８２）及び／又は飛行速度を最適化し、
前記スキャンストライプを前記飛行ルート（８１，８２）に依存して少なくとも部分的に重畳させ、それによって、
前記スキャン精度、前記スキャン経路及び前記スキャン時間を調整する、及び／又は、
前記エアークラフト（２０）の移動及び配向及び／又は測定配向を前記スキャンストライプの重畳領域の分析によって、画像処理によって決定及び／又は位置調整する、
請求項１０に記載の３Ｄ座標を決定するための方法。
【請求項１２】
前記方法の範囲において、擬似衛星（７０ａ，７０ｂ）から供給される位置決め信号（７１）及び／又はＧＮＳＳ信号を受信し、該ＧＮＳＳ信号をＧＰＳ信号、ＧＬＯＮＡＳＳ信号又はＧａｌｉｌｅｏ信号によって表し、前記受信した位置決め信号（７１）から外部の測定位置を決定する、
及び／又は、
前記エアークラフト（２０）において反射される測定ビーム（３３，３３ａ，３３ｂ）を用いて前記外部の測定位置の決定を行う、
及び／又は、
ピッチ方向及びロール方向及びヨー方向における前記測定配向を決定し、前記エアークラフト（２０）に対応付けられている内部のセンサユニット（２７）を用いて決定し、傾斜センサ、磁力計、加速度センサ、角速度センサ及び／又は速度センサを用いて決定する、
及び／又は、
前記測定配向の決定を、
前記エアークラフト（２０）に対応付けられている、所定のパターン、擬似ランダムパターン、バーコード、及び／又は、発光ダイオードを含む、前記測定配向を表すマーカ（２４）と組み合わせて、また、
前記マーカ（２４）の姿勢及び配置から前記測定配向を決定するための前記マーカ（２４）のカメラを用いた検出と組み合わせて行う、
請求項１０又は１１に記載の３Ｄ座標を決定するための方法。
【請求項１３】
前記測定配向を、垂線方向に対して平行に自動的に配向させ、及び／又は、所期のように前記エアークラフトの配向に相対的に配向させ、ジンバルによって、及び／又は、前記測定配向を所期のように配向させるための配向手段によって行い、二つの軸又は三つの軸において揺動を行う、
及び／又は、
対象物データを含む情報及び／又は制御命令を前記エアークラフト（２０）に入力する、及び／又は、形成された前記点群の情報をディスプレイに出力する、
請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載の３Ｄ座標を決定するための方法。
【請求項１４】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の測定システム（１０）において使用するための、無人制御可能なオートモービル・エアークラフト（２０）であって、
前記エアークラフト（２０）は無人航空機を含み、
前記エアークラフト（２０）はホバリング状態で配向及び移動が可能であり、
外部対象物座標系に相対的に前記エアークラフト（２０）を制御するために制御データを受信する、及び／又は、
前記エアークラフト（２０）を制御する制御データを処理ユニット（２８）によって、前記エアークラフト（２０）の飛行配向及び飛行位置を決定するための、受信した参照付け情報から導出し、前記飛行配向を前記エアークラフト（２０）に対応付けられている配向決定ユニットによって決定する、エアークラフト（２０）において、
前記エアークラフト（２０）は、三角測量の原理を基礎とする光学的な走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）を備えており、該光学的な走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）は、対象物表面（６５）の測定点を、点毎に光学的に走査し、内部走査座標系における内部測定点座標を決定するためのものであり、
前記処理ユニット（２８）は、前記内部測定点座標を前記外部対象物座標系において参照付けできるように構成されており、
前記外部対象物座標系における前記測定点の３Ｄ座標の決定を、前記内部測定点座標及び該内部測定点座標の参照付けから行い、それにより、前記内部測定点座標は前記外部対象物座標系における３Ｄ座標として存在し、
前記エアークラフト（２０）を制御するための前記制御データは、
前記走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）を用いて決定されたその都度最新の内部測定点座標を考慮して、及び／又は、
ディジタルモデルによって事前に規定されている、前記ディジタルモデルによって規定された飛行ルート（８１，８２）に沿った対象物表面を考慮して、
前記エアークラフト（２０）が事前に規定された前記対象物表面（６５）迄の測定距離を維持しながら自動制御で前記対象物表面（６５）に相対的に移動されるように構成されている、
エアークラフト（２０）。
【請求項１５】
連続的に決定される測定位置及び測定配向に依存して、及び／又は、前記走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）を用いて決定される、前記対象物表面（６５）迄の測定距離に依存して、前記対象物表面（６５）に相対的に前記エアークラフト（２０）を自動制御で移動及び配向可能であるように前記制御データは構成されている、
及び／又は、
前記走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）は、前記エアークラフト（２０）の移動時にスキャンストライプを形成する光学的なスキャン装置、及び／又は、前記測定点座標を決定するために画像シーケンスを使用する測定システム、ラインスキャナ、ストライプ投影スキャナ及び／又はカメラを有する、
及び／又は、
前記配向決定ユニットは、傾斜センサ、磁力計、加速度センサ、角速度センサ及び／又は速度センサを含むセンサユニット（２７）を有し、及び／又は、前記エアークラフト（２０）は対象物迄の距離を測定するための距離測定センサであるレーダを有する、
及び／又は、
前記エアークラフト（２０）は、前記走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）の所定の配向のために、前記走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）の垂線方向に対して平行な方向における自動的な配向のために、ジンバル及び／又は前記走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）を配向させるための配向手段を有し、前記走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）は二つの軸または三つの軸において揺動可能である、
及び／又は、
前記エアークラフト（２０）は、対象物データを含む情報及び／又は制御命令を入力するための、キーボード、タッチセンシティブディスプレイ、データインタフェースを含む入力ユニット、及び／又は、形成された前記点群の情報を出力するための出力ユニットであるディスプレイを有する、
及び／又は、
前記エアークラフト（２０）は、該エアークラフト（２０）を制御するための遠隔制御部を有し、該遠隔制御部は情報及び／又は形成された前記点群を表示するためのディスプレイを有する、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の測定システム（１０）において使用するための、
請求項１４に記載のエアークラフト（２０）。
【請求項１６】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の測定システム（１０）のための、三角測量の原理を基礎とする光学的な走査装置（２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）を搭載するための、無人制御可能なオートモービル・エアークラフト（２０）の使用方法。
【請求項１７】
プログラムが電子データ処理ユニットにおいて実行実施される場合に、請求項８乃至１３のいずれか一項に記載の方法を実施するためのプログラムコードを有している、機械読み出し可能な担体に記憶されているコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載されている、対象物、特に工業製品を３次元に測定するための測定システム、請求項７に記載されている３Ｄ座標を決定するための方法、並びに、本発明によるシステムにおいて使用するための、請求項１２に記載されている、無人制御可能なオートモービル・エアークラフトに関する。
【背景技術】
【０００２】
対象物の表面を測定するためのシステムは、例えば産業界においては、生産プロセスに付随して部品又は製品の幾何学形状を検査するために使用される。そのようにして、対象物の寸法公差を検査することができ、また生産に起因する製造誤差を迅速に識別することができ、更には所定の規格外の寸法を有する部品をプロセスから除外することができる。その種の測定システムを使用することによって、生産率を向上させながら、それと同時に欠陥品を低減することができる。
【０００３】
工業生産プロセスにおいては、例えば、触覚センサを備えた測定システムを使用することができる。それらのシステムは、大抵の場合、ガイド可能な移動性の測定先端部を有しており、その先端部にはルビーボールが固定されている。ルビーボールが対象物表面と接触すると、測定点が検出され、その点の座標を決定することができる。それに伴い、規定された対象物位置の走査によって、又は、表面の一部からの離脱によって、対象物の形状及び寸法を検出し、そのために事前に決定された目標値と比較し、また場合によっては生じる目標値からの偏差を確認することができる。
【０００４】
対象物の触覚式の測定は、対象物が非常に大きい場合、例えば対象物が飛行機の場合、その種の測定プロセスが一方では非常に時間が掛かり、他方では対象物の大きさに起因して実施が困難であることから不利である。連続的な生産プロセスにおいて広範囲にわたる完全な品質制御の要求、並びに対象物、特にプロトタイプの空間形状のディジタル化の要求が高まっており、そのことから、表面トポグラフィの記録は、測定すべき対象物の表面における個々の点の座標を短時間で決定することに関して、ますます頻繁に課される測定タスクとなっている。
【０００５】
測定時間を短縮するために、非接触式に測定を実施する光学的な測定センサを使用することができる。その種の光学的な表面測定システムは一般的に、３Ｄ座標を決定するために、画像シーケンスを使用する測定システムを有することができるか、又は光学的なスキャナ、例えばラインスキャナを有することができ、それらを用いて表面が行毎に走査され、その際、測定システム又はスキャナは同時に表面上方を案内される。
【０００６】
従来技術から公知のスキャナは、その都度の走査角度に依存して複数の点迄の複数の距離を短時間に検出することができる。更には、表面に対するスキャナの相対的な移動を考慮して、測定すべき対象物の表面を表す点群を生成することができる。更には画像処理によって、測定された表面をグラフィック処理し、ディスプレイに表示し、場合によっては発生する測定偏差に関する情報をグラフィックに取り込むことができる。
【０００７】
また、従来技術から公知である、測定対象物の３Ｄ座標を決定するために画像シーケンスを使用する測定システム、例えば、ポータブルな手持式のシステム及び／又は固定式に設置されたシステムとして構成することができる測定システムは、一般的に、測定対象物を或るパターンで照明するためのパターンプロジェクタを有しており、従って一部ではパターン投影３Ｄスキャナ又は光構造３Ｄスキャナと称されている。測定対象物の表面に投影されるパターンは、測定システムの別の構成部分としてのカメラシステムによって記録される。
【０００８】
即ちプロジェクタは測定の枠内で、異なるパターン（例えば、異なる幅を有している、平行な明るいストライプと暗いストライプ。特にそのストライプのパターンを例えば９０°回転させることもできる）で測定対象物を時間的に連続して照明する。（一つ又は複数の）カメラはその投影に対して既知の視角で投影されたストライプパターンを記録する。各投影パターンに関して各カメラが画像を記録する。全てのカメラの各画素に対して、種々の輝度値の時間系列が生じる。
【０００９】
しかしながらその際に、外側のストライプに相応の別のパターン、例えばランダムパターン、擬似コード等も投影することができる。これに適したパターンは従来技術から当業者には十分に公知である。擬似コードは例えば対象物点の比較的簡単な絶対的な対応付けを実現するが、このことはストライプが非常に細い場合には難易度が増す。つまりこのためには、測定対象物表面における複数の測定点の分解能の所望の精度が達成されるまで、連続的に記録しながら、順次細くなる種々のストライプパターンが投影されるか、又は、迅速に一つ又は複数の擬似コードが投影され、続けて細いストライプパターンが投影される。
【００１０】
続けて、記録された画像シーケンスから、写真測量及び／又はストライプ投影の分野における当業者には公知の方式を用いて、測定対象物表面の３Ｄ座標を算出することができる。例えばその種の測定方式及び測定システムは、WO 2008/046663，DE 101 27 304 A1，DE 196 33 686 A1又はDE 10 2008 036 710 A1に記載されている。
【００１１】
カメラ又はスキャナを備えた測定システムを用いて測定を実施する際の問題は、測定がマニュアルで実施される場合、即ち手持式の測定が実施される場合に生じる。特に測定システムの移動に起因して、検出された複数の画像又はスキャンラインが統合されるべき場合には、表面の点群を３次元で検出及び処理するために非常に高い計算能力が基本的に必要とされるので、通常の場合は、移動許容差が速度及び振動に関して大幅に制限されている。従って、測定時に測定システムを十分に安定させることは必須であり、安定しない場合には測定エラーの発生の主たる原因となる。
【００１２】
測定センサをガイドするためにロボットアームが使用される場合であっても、表面の検出時のその種の測定エラーを考慮し、従って測定の範囲における変動又は速度変化を補償調整するためのアプローチは、例えば欧州特許第10166672.5号に記載されている。
【００１３】
画像シーケンスを記録する際に、例えば、測定センサ又は測定対象物の並進加速度及び／又は回転加速度を測定し、それらの測定された加速度を、対象物の３Ｄ座標を決定する際に考慮することができる。続いて、それらの測定された加速度に依存して、測定点の３Ｄ座標を決定することができる。従って、測定システムの不安定なガイドに起因するエラーを計算により考慮し、その結果、正確な位置データを求めることができる。
【００１４】
記録ユニットを用いて非接触式に３Ｄ表面測定を正確且つ高速に実施できるようにするための一つの代替案がEP 2 023 077に記載されている。測定ヘッドに接続されている測定装置は、その測定ヘッドを用いて実施される測定時にヘッドの位置及び配向を求めることができ、その際に測定ヘッドを関節アームによって表面に接近させることができるか、又は表面に沿ってガイドすることができる。少なくとも部分的に重畳する表面セクションの２回目の測定によって、そのようにして取得可能な位置情報から、共通の座標系において一つの表面画像を生成することができる。
【００１５】
上記において説明した種々の実施の形態に共通する欠点は、測定すべき対象物が大きい場合に、関節アームの到達範囲が制限されていることに起因して、また、測定システムをガイドする人間の到達範囲もしくは可動範囲が解剖学的に制限されていることに起因して、対象物における関連する全ての測定位置に到達することが困難であること、若しくは、部分的にしか到達できないことである。更には、対象物測定は例えば人間にとって有毒な環境においては、一方では特別な保護装備を用いることでしか実施できず、従って、困難な条件下でしか実施できず、他方では例えば許容可能な毒性値を超過すると測定自体をもはや実施できない可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】WO 2008/046663
【特許文献２】DE 101 27 304 A1
【特許文献３】DE 196 33 686 A1
【特許文献４】DE 10 2008 036 710 A1
【特許文献５】EP 10166672.5
【特許文献６】EP 2 023 077
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
従って本発明の課題は、特に少なくとも部分的にアクセスが困難な対象物において、表面測定を高度のオートメーション化で正確且つより高速に実施することができる、所属の複数のユニットを備えた測定システム及び対応する方法を提供することである。
【００１８】
本発明の詳細な課題は、対象物の広範囲にわたる完全な３次元測定を、人間に悪影響を及ぼす環境又は人間にとって有害な環境において、ユーザフレンドリにより簡単でより高速に実施することができる可能性を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
それらの課題は、独立請求項の特徴部分に記載されている構成によって解決される。代替的なやり方又は有利なやり方で本発明を発展させる特徴的構成は従属請求項に記載されている。
【００２０】
本発明により、対象物表面の測定点の３Ｄ座標、特に工業製品の測定点の３Ｄ座標、特に多数の３Ｄ座標を外部対象物座標系において決定するための測定システムが提供される。測定システムは、対象物表面の測定点を光学的に測定するため、特に点毎に測定するため、また内部走査座標系において内部測定点座標を決定するための、三角測量の原理を基礎とする光学的な走査装置と、参照付け情報、特に走査装置の外部測定位置及び測定配向の参照付け情報を生成し、外部対象物座標系において内部測定点座標を参照付けるための参照付け装置と、内部測定点座標及び参照付け情報に依存して、外部対象物座標系において測定点の３Ｄ座標を決定するための評価ユニットとを有しており、それにより、内部測定点座標は外部対象物座標系における３Ｄ座標として、特に点群として存在する。更に、測定システムは無人制御可能なオートモービル・エアークラフトを有しており、また走査装置はエアークラフトに設けられており、特にエアークラフトは、ホバリング状態で配向可能且つ移動可能であるように構成されている。更には、走査装置を用いて決定されたその都度最新の内部測定点座標を考慮して、及び／又は、ディジタルモデルによって事前に規定された、そのディジタルモデルによって規定された飛行ルートに沿った対象物表面を考慮して、事前に規定された測定距離範囲、特に測定距離を維持しながら、エアークラフトが対象物表面に相対的に自動制御で移動するように構成された制御ユニットが設けられている。
【００２１】
本発明によれば、参照付け装置を用いて決定される、特に連続的に決定される走査装置の測定位置及び測定配向に依存して、及び／又は、走査装置を用いて決定される対象物表面との測定距離に依存して、エアークラフトを自動制御で対象物表面に相対的に移動可能及び配向可能であるように、制御ユニットを構成することができる。
【００２２】
更に、本発明による測定システムの走査装置は、エアークラフトの移動時にスキャンストライプを形成することができる、光学的なスキャン装置を有することができる、及び／又は、測定点座標を決定するための、画像シーケンスを使用する測定システムを有することができる。特に、走査装置はラインスキャナ、ストライプ投影スキャナ及び／又はカメラを有することができる。
【００２３】
更にこの関係において、エアークラフトに望遠鏡を配置することも考えられ、その場合、望遠鏡を水平軸及び垂直軸周りに回転させることができ、また望遠鏡の配向のその都度の角度を検出することができる。また、距離測定ユニット及びカメラを望遠鏡に統合することができ、それによって、検出された画像に基づき望遠鏡を配向することができ、また測定すべき点についての距離又は座標を決定することができる。従ってこの構成においては、エアークラフトは飛行する移動性のトータルステーションを表していると考えられる。
【００２４】
その種の本発明による測定システムは、測定を行う測定ユニット、即ちエアークラフトの位置決めを完全に自動的に実行するように、従って、ユーザによる所定の目標点又は表面への反復的な接近が必要ないように、対象物の測定を実現することができる。このために、エアークラフトを所定の位置において内部的に制御することができるか、又は、例えば無線信号を用いて、若しくは、有線コネクション、赤外線又Bluetoothを介してエアークラフトに伝送される信号を用いて遠隔制御することができる。また、エアークラフトを遠隔操作部及び／又は参照付け装置と接続するケーブルを介して、エアークラフトにエネルギを供給することができる。エアークラフトとして、例えば、飛行能力のある無人航空機を使用することができ、そのような無人航空機をモータ駆動式の回転翼の所期のような制御によって位置決めすることができ、特に遠隔制御することができ、また設けられているモータによって移動させることができる。
【００２５】
エアークラフトを制御するため、又は、制御のための制御信号を形成するために、測定システムを用いてエアークラフトの位置を決定することができる。このために参照付け装置が設けられている。この参照付け装置はトータルステーション、セオドライト、タキメータ、又は、例えばＧＮＳＳシステム、若しくは、位置情報を送信する擬似衛星、いわゆるシュードライトを有することができ、その場合には、相応の装置に対応するモジュールがそれぞれエアークラフト側に配置されている。そのようにして達成される、位置決定のために設けられている機器と、その機器について調整されているコンポーネントとの間の相互作用によって、エアークラフトの位置を正確に決定することができ、更には、エアークラフトの位置を連続的又は継続的に追従することができる。
【００２６】
位置決定に付加的に、エアークラフトの配向決定を実施することができる。飛行ユニットに設けられているセンサ、例えば加速度センサ、角速度センサ、コンパス、特に慣性計測装置（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）を用いて、三つまでの軸についてのユニットの配向を決定することができる。従って、ヨー角、ピッチ角及びロール角を決定することができ、またユニットによって実施すべき測定タスクにおいて考慮することができる。内部センサを用いる決定の代わりに、又はそれに付加的に、配向決定を外部で行うこともできる。このためにマーカ、特に発光ダイオードの形態のマーカを所定の分布でエアークラフトに取り付けることができるか、又は、相互に相対的な所定の姿勢で取り付けることができ、また、それらのマーカを検出ユニットによって、特にカメラによって検出することができる。記録された画像におけるダイオードの姿勢によって、エアークラフトの配向を推定することができる。
【００２７】
対象物の表面トポロジを考慮して、決定された最新のエアークラフト位置に基づき、エアークラフトの相対位置、例えば表面垂線に対する相対位置を決定することができる、及び／又は、その都度の位置関係に依存してエアークラフトを制御することができる。更にそれらの情報から、エアークラフトに関する目標位置を導出することができ、またその目標位置をエアークラフトに関して到達すべきターゲット位置として規定することができる。従って、エアークラフトが目標位置に合わせて制御され、その目標位置に位置決めされるようにエアークラフトの制御を行うことができる。エアークラフトの位置決めを、少なくとも一時的に十分に位置固定された状態で行うことができる。即ち、エアークラフトを外的な影響に依存せずに一時的な期間にわたり、固定の位置に変動なく保持することができる。このことは特に、エアークラフトの調整された制御によって達成することができる。更には、例えば対象物表面の多数の目標位置又は表面目標経過からエアークラフトに関する移動経路又は飛行ルートを決定することによって、エアークラフトをそのルートに沿って移動させることができ、特に、移動をスムーズに行うことができる、即ち対気速度が変動することなく、つまり速度がほぼ変化することなく行うことができる。
【００２８】
エアークラフトの位置の確定、又は所定の位置からの偏差の確定を、エアークラフトと接触している位置決定装置によって連続的に行うことができる。このために、位置決定装置に対応付けられている送信ユニットが位置決め信号を供給することができ、この位置決め信号をターゲットユニットにおける受信器によって受信することができる。それらの装置が例えばＧＮＳＳ送信器を有しているか、又は、ＧＮＳＳシステムがエアークラフトの位置を正確に決定するために使用される場合、エアークラフトは、位置情報を受信して、その位置情報から位置を決定することができるＧＮＳＳ受信器を有することができる。このために一般的に使用されているＧＮＳＳシステムを、例えばＧＰＳ又はＧＬＯＮＡＳＳによって実現することができる。相応に、各システムに対応付けられている信号を受信できるようにするために、エアークラフトにＧＮＳＳアンテナを配置することができる。これに付加的に、ＧＮＳＳ参照局を設けることができ、このＧＮＳＳ参照局は同様にＧＮＳＳ信号を受信するために構成されており、また、参照データ又は補正データを例えば、位置決定に関する精度を向上させる公知のＤＧＰＳ方式、ＲＴＫ方式又はＶＲＳ方式の内の一つのために提供する。従って、その種の参照システムに適合されたエアークラフトを、付加的に補正信号を受信するためにも構成することができ、また、そのエアークラフトはそれらの信号を考慮した測地的な位置決定を実施することができる。
【００２９】
しかしながら位置決定が閉じられた空間、例えば生産ホール内で行われる場合には、ＧＮＳＳ信号をエアークラフトによって受信できないことが多い。その場合には、位置決めをホール内の擬似衛星、いわゆるシュードライトを用いて実施することができる。シュードライトを、外部座標系（対象物座標系）に関連付けてそれぞれ既知の位置に配置することができ、またシュードライトはその位置から位置情報を例えばＧＮＳＳ信号に類似する信号フォーマットで送信することができ、それらのＧＮＳＳ信号を用いて、やはりエアークラフト側での位置決定を実施することができる。それらの信号は仮想衛星の位置を模範とすることができ、従って、確かに包括的な位置決定を実施することができるが、しかしながら例えば製造空間を表す座標系又は対象物座標系内の相対的な位置は決定することができない。更に、包括的な座標系に相対的な擬似衛星の位置が既知である場合には、エアークラフトの絶対的で包括的な位置決定を直接的に実施することも可能である。その種の正確な位置決定のために、エアークラフト側では四つのシュードライトからの信号を受信することができ、特に、信号の時間軸が共通している場合には、三つの信号を受信することで位置決定を正確に実施することができる。
【００３０】
特に、測定器、例えばトータルステーション又はレーザトラッカによって、エアークラフトに配置されているモジュール、例えば反射器に照準を合わせることができることによって、エアークラフトの実際位置を確定することができる。例えば、較正プロセスが測定器側で実施されており、従って機器が既知の位置の測定によって固有位置決定を実施できていたことによって、測定器の位置は既知であるとすることができる。この測定ステーションによって、エアークラフトにおける反射器に照準が合わせられると、放射された測定ビームの配向を決定することによって、エアークラフトへの方向を決定することができ、また、測定ビームを用いて実施された距離測定に基づき、エアークラフト迄の距離を確定することができる。それらのパラメータから、測定器に対するエアークラフトの相対的な位置を一義的且つ正確に決定することができ、また、測定器の位置を考慮して、エアークラフトの絶対的な位置、特に測地的に正確な位置を導出することができる。そのようにして決定された、特に連続的に決定されたエアークラフトの位置（実際位置）に基づき、エアークラフトの制御を実施することができる。このために、位置情報から制御データを取得することができ、また、それらの制御データによってエアークラフトは所定の目標位置へと飛行させることができる。
【００３１】
エアークラフトに関する目標位置又は移動経路又は飛行ルートを、特に、対象物表面の座標又は位置情報から決定することができる。それらが例えばエアークラフトの翼を表す場合、翼の表面経過に平行なルートを移動経路として規定することができ、その移動経路を通って、測定ユニットとして構成されているエアークラフトは飛行することができる。エアークラフトの正確な移動を維持することを容易にするために、ここではルートに対して許容差領域を規定することができ、エアークラフト又はエアークラフトの位置を示す構成要素がその許容差領域内にあれば、ルートは達成されているとみなされる。更に、ホバリング飛行のために、翼表面又は表面の接線若しくは接線面に対して平行に距離を置いているか、又はそれに対して所定の角度にある、特に所定の角度領域内にある、例えば１ｃｍから１００ｃｍの間、特に５ｃｍから２０ｃｍの間にある経路を規定することができる。ここでも同様に、所定の位置許容差を有している目標範囲又は許容範囲を移動経路又は飛行ルートの周囲に設けることができ、エアークラフト又は、エアークラフトの現在の位置を表すエアークラフトの構成要素が目標範囲内にある場合には、目標位置又は飛行ルートは達成されているとみなされる。特に、エアークラフトへの外的な影響によって、例えば気流の変化、温度変化、及び／又は、変わりやすい圧力特性によって、エアークラフトは一定の位置に、又は、所定の飛行ルート上にホバリングしながら無制限に留まれないことが多いので、位置決め及び移動のために相応の目標領域を規定することは有利であると考えられる。しかしながらエアークラフトは、外部からもたらされる偏向力に対する調整された対抗手段によって、事前に規定された目標範囲内で変化する位置を維持することができる。
【００３２】
エアークラフトのための所定の飛行ルートの決定に、エアークラフトのその都度達成可能な配向を付加的に含ませることができるか、又は、ルートの各位置においてエアークラフトを所定の方向に配向させることができるようにルートを選定することができる。それによって、エアークラフトの位置決定又は移動に付加的にエアークラフトの配向も規定することができ、それによって、エアークラフトを用いて実施できる測定に関して、絶対的な測定方向と、（必要に応じて）所属の測定距離を表すことができる。
【００３３】
エアークラフトは、その種の測定プロセスのために例えばスキャナ、例えばラインスキャナを有することができるか、又は択一的に、測定対象物の３Ｄ座標を決定するために、画像シーケンスを使用する測定システムを有することができる。その種の装置を用いることにより表面構造を点毎に検出することができる。即ち、三角測量式のスキャナによって行毎に実行されるスキャンプロセスでは、例えば１ミリメートル当り１個から５０個の間の点を検出することができ、特に時間的に間隔を空けて一つ又は複数の点を繰り返し検出することができる。更には、特に付加的なパターンが部分領域に投影されて、二つの異なる背景から少なくとも部分的に一致する表面領域を検出することによって、３次元の表面構造を導出することができる。このために、測定システムは例えばパターンを投影するためのダイオードと、相互に所期のように配置されている二つのカメラとを有することができる。
【００３４】
それによって検出された表面の点解像３Ｄ情報は、従来技術から公知の方法では、通常の場合は点群によって表される。その点群の点座標は、測定システムに割り当てられている座標系を基準にして決定される。更に、エアークラフトの三つの回転自由度及び三つの並進自由度を決定することができる、エアークラフトの位置及び配向を決定するための前述の可能性によって、点座標を上位の座標系（対象物座標系）に転用することができ、従って、対象物又は対象物表面若しくはその一部を表す点群を生成することができる。
【００３５】
更には、既知の対象物データに基づき、また（スキャナを用いた）対象物迄の距離測定によって、並びに、エアークラフトの配向の決定によってエアークラフトの制御を行うことができる。つまり、飛行区間を特に自動的に確定することができ、その飛行区間に沿ってエアークラフトを移動させることができる。例えば、要求される水平方向の測定精度、従って、最大限許容される移動速度又は最低限必要とされるスキャンストライプの重畳部、例えば或るストライプとそれに隣接するストライプ又は後続のストライプとの２０％の重畳部、及び／又は、所定の距離測定精度を達成するための、表面迄の有利な距離範囲を考慮することができる。スキャンストライプは、スキャナ又はスキャナとして構成されている走査装置を対象物表面に相対的に移動させた際に生じる。ここで、移動方向はスキャナのスキャン方向に対して実質的に垂直であると考えられる。制御のために、スキャナの測定位置の継続的な補償調整、スキャナの距離測定又はスキャン方向における表面迄の距離測定を実施し、エアークラフトの配向を決定することができる。
【００３６】
更には、表面を測定するために対象物のＣＡＤモデルが既知であることが考えられ、またＣＡＤモデルをエアークラフトの制御に使用することができる。また、レーザトラッカによってエアークラフトにおける反射器に照準が合わせられることによってエアークラフトの位置を決定することができ、またレーザトラッカに配置されているカメラを用いて、エアークラフトにおける発光ダイオードから供給されるマーカを検出することによって配向を決定することができる。測定を初期化するために、また、レーザトラッカを対象物座標系に合わせて較正するために、例えばＣＡＤモデルから既知である座標を有している、対象物における所定の三つの点をレーザトラッカによって較正することができる。更に、ＣＡＤモデルから、測定ユニットを実施する、無人（遠隔）制御型の、特に自律型のエアークラフトのための飛行ルートを算出することができ、また、その飛行ルートを所定の測定判定基準、例えば測定精度、測定時間、飛行安定性、エアークラフトとレーザトラッカとの間の照準線の維持、及び／又は、衝突回避に関して最適化することができる。更には、エアークラフトをレーザトラッカ側の制御信号によってスタート位置へと移動させ、そこに位置決めすることができる。スタート位置に到達すると、エアークラフトに配置されている三角測量式スキャナを起動させ、スキャナによるスキャンの間にエアークラフトが所定の測定距離を置いて所定の移動経路に沿って移動され、それによって走査した測定面に対応する点群が形成されることによって、対象物の測定を開始することができる。
【００３７】
この測定プロセスと同様に、特に向上した精度で位置決めを行うために、相互に連携する複数のレーザトラッカによって同時にエアークラフトに照準を合わせることができ、それによって付加的にエアークラフトの作業半径を拡大することができる。択一的又は付加的に、位置決定をエアークラフト側において、シュードライトから供給される、エアークラフトにおいて受信された信号を用いて行うことができ、この場合、エアークラフトの配向の決定は特にセンサユニットのセンサによって同様にエアークラフト側で（内部で）行われる。
【００３８】
本発明による測定システムの範囲においては、対象物表面の位置及び／又は目標経過を事前に規定することができ、特にディジタルモデル、とりわけＣＡＤモデルによって設定することができ、また特に、事前に規定された対象物表面に基づき各表面目標座標をそれぞれの３Ｄ座標と比較することができ、特に、事前に規定された参照点を対象物表面に参照付けることによって参照付け装置を参照付けることができる。
【００３９】
更には、エアークラフトが飛行ルートに沿って移動できるように制御ユニットを構成することができ、飛行ルートは表面位置及び表面経過に依存して、特に自動的に決定することができる。
【００４０】
それらの予備知識によって、例えば、対象物又は製造製品の品質管理を実施することができる。このために、ディジタル化及び採寸された、例えば対象物のＣＡＤモデルによって表される対象物記述を測定システムに格納（記憶）することができ、また対象物測定のための基準点として使用することができる。対象物位置及び表面形状に応じて、また対象物の拡張部に応じて、測定に使用されるべきである無人のエアークラフトのための飛行ルートを自動的に算出及び確定することができ、またエアークラフトをそのルートに沿って移動させることができる。エアークラフトの移動中の対象物表面の連続的なスキャンによって、測定された表面点を有している、特にそれぞれの座標系におけるそれらの表面点の座標を有している点群が形成される。従って、スキャンされた表面に関して、測定された実際値を導出することができ、それらの実際値は例えば対象物の寸法、対象物の形状及び／又は半径並びに表面の角度を表す。それらの値を、ＣＡＤモデルにおいて事前に決定されている、表面に関する目標値と比較することができ、また場合によっては生じる目標値からの偏差を確定することができる。その種の制御プロセスによって、特に、欠陥のある構成部材を迅速に識別することができるか、又は、エラーの無い製造又は許容差範囲内の製造を確認することができる。
【００４１】
更には、エアークラフト又はエアークラフトにおける走査装置によるモニタリング、即ち連続的な測定を行うことができる。このためにエアークラフトは所定のルートを移動し、またのルートを繰り返し飛行することができる。それと同時に、対象物の測定が実施され、また対象物座標が検出される。表面は一方ではスキャナを用いて測定され、他方ではカメラによって画像検出される。それらの座標を所定の目標座標と連続的に比較することができ、それによって、対象物表面の形状又は形状の変化を求めることができる。これによって生産プロセスを追跡することができ、またそれに伴い生産プロセスを評価することができる。例えば、製品にラッカーを塗装する場合、塗装の前後に表面幾何学形状を求めることができ、それによって、ラッカー層の厚さ、従って製品の超過重量を推定することができる。同様に、このモニタリングを品質管理のためにも使用することができる。更には、この原理に応じて、地質学的な歪みも識別し、追跡することができる。
【００４２】
更に本発明による測定システムにおいては、スキャン経路、スキャン時間、スキャン精度、エアークラフトの移動安定性、エアークラフトの位置決定及び配向決定に関して、及び／又は、対象物迄の距離、特に障害物迄の距離を測定するセンサによって距離を決定することができる衝突回避に関して、飛行ルート及び／又は飛行速度を最適化することができる。
【００４３】
更に本発明の範囲においては、スキャンストライプを飛行ルートに依存して少なくとも部分的に重畳させることができ、それによって、スキャン精度、スキャン経路及びスキャン時間を調整することができる、及び／又は、それによってエアークラフト及び／又は走査装置の移動及び配向をスキャンストライプの重畳領域の分析によって、特に画像処理によって決定することができる、及び／又は、位置調整することができる。更に本発明によれば、事前に規定された対象物表面に基づき、各表面目標座標を各３Ｄ座標と比較することができる。
【００４４】
必要とされる測定精度に応じて、例えば個々のスキャンストライプをその際に決定できる比率で重畳させ、それによって一方では、それらの領域における測定分解能を高め、他方ではエアークラフトの配向又は配向修正を行うことができるように、移動経路を適合させることができる。配向は、重畳領域において表面構造における一致するパターンが検索され、エアークラフトの移動方向又は配向、特に走査装置の配向がその一致に基づき適合されることによって決定及び制御することができる。スキャン領域のその種の比較を特に画像処理によって行うことができる。付加的に、対象物に対するエアークラフトの相対移動を低減することによって、また、走査装置側での一定の分解能において、特にスキャン装置を用いたスキャンがエアークラフトの移動方向に実質的に垂直に行われることによって、形成される点群の点分解能を上昇させることができる。これとは異なり、スキャン分解能が同様に一定に維持されるが、速度が上昇すると、点解像度が低くなる可能性があるが、しかしながらそれと同時に測定に必要とされる時間を短縮することができる。
【００４５】
更に、対象物表面迄のエアークラフト、若しくは走査装置又はスキャン装置の測定距離を変化させることによって、測定に関する精度また所要時間にも影響を及ぼすことができる。測定距離は例えば１ｃｍから５０ｃｍの間、特に５ｃｍから２０ｃｍの間で良い。従って、短い距離に関しては、測定の精度を向上させることができ、それと同時にスキャナによって掃引されるスキャン領域又はスキャンストライプの幅を縮小することができる。従って、（対象物に対するエアークラフトの相対速度を変化させなかった場合には）測定プロセスの測定期間が延長する可能性がある。何故ならば、比較的多くの数のスキャンストライプを対象物の必要とされる測定のために形成しなければならないからである。
【００４６】
更には、移動経路の最適化を移動又は飛行の安定性に関して実施することができる。特に、エアークラフトが克服する飛行半径が小さくなることを回避するために、従って、特に方向転換の際に達成すべき「円形の」移動を回避するために、即ち、補償移動が実質的にない、及び／又は、ユニットの大きい又は長時間の制動フェーズ及び加速フェーズが実質的にないエアークラフトの移動を回避するために、そのような経路最適化を行うことができる。
【００４７】
更には、外部の参照付け装置とエアークラフトとの間の実質的に永続的な照準線を保証するために位置決定を行うことができ、これによって、参照付け又は位置決定及びエアークラフトの配向の決定を連続的に行い、エアークラフトを確実に制御することができる。更に、移動経路の最適化によって、例えば障害物、例えばロボット又は可動の機械部との衝突を阻止することができる。また、その種の障害物を記憶されているＣＡＤモデルにおいて考慮することができる、及び／又は、エアークラフトに付加的に設けられているセンサ、例えばレーダセンサによって識別することができる。
【００４８】
本発明の範囲において、参照付け装置は、走査装置の外部測定位置を対象物座標系に関して決定することができるように構成されている位置決定装置、及び／又は、走査装置の測定配向を対象物座標系に関して決定することができるように構成されている配向決定装置を有することができる。
【００４９】
更に本発明によれば、走査装置の測定位置及び測定配向を、走査装置に対するエアークラフトの既知の位置関係及び配向関係によって決定することができ、特に、エアークラフト位置及びエアークラフト配向を参照付け装置によって決定することができる。
【００５０】
参照付け情報を決定することによって、走査ユニットの現在の配向及び現在の位置を決定することができ、そのような決定を各参照付け装置（位置決定装置及び／又は配向決定装置）を用いて行うことができる。例えば、位置決定のために、特にレーザ装置を用いて走査装置に照準を合わせることができ、それと同時に、装置の配向を視覚的に、特にビデオカメラを用いて検出することができる。そのようにして検出された走査装置の画像から、走査装置側での画像処理及び識別によってその配向を導出することができる。更には、走査装置の測定配向及び測定位置を決定するために、この装置を直接的に参照する必要はなく、択一的又は付加的に、エアークラフトの参照付けを上述の原理に従い行うことができ、その際、測定位置及び測定配向とエアークラフト位置及びエアークラフト配向との関係は既知であり、また走査装置の配向及び位置をその関係によって間接的に決定することができる。
【００５１】
参照付けのために、本発明による測定システムにおいては、走査装置及び／又はエアークラフトは反射器を有することができ、また参照付け装置は測地的な測定機器、特にトータルステーション又はレーザトラッカを有することができる。測地的な測定機器は、距離測定用の光学的な測定ビームを形成するためのビーム源と、垂直軸を規定するベースと、測定ビームを放射し、且つ、反射器において反射された測定ビームの少なくとも一部を受信するビーム偏向ユニットとを有しており、この場合、ビーム偏向ユニットは光学的な目標軸を配向するために、垂直軸周りに、またその垂直軸に実質的に直交する傾斜軸周りに、ベースに相対的にモータにより揺動可能である。付加的に、目標軸の配向を高精度で検出するための角度測定機能と、ビーム偏向ユニットの配向を制御し、且つ、データを記憶するための評価手段とを設けることができる。更に、光学的な測定ビームを反射器に配向させることができ、特に連続的に配向させることができ、それにより走査装置の測定位置及び／又はエアークラフト位置を決定することができる。
【００５２】
トータルステーションとの関係において、トータルステーションは特に照準合わせ装置、特に照準望遠鏡を有することができ、この場合、支持部は測定機器のベースに対して揺動可能であり、また照準合わせ装置はその照準合わせ装置の配向を変更するための支持部に対して揺動可能である。照準合わせ装置は、光学的な目標軸を規定する少なくとも一つの放射ユニットと、光学的な目標軸に平行に、特に同軸に、距離測定用の光学的な測定ビームを放射するためのビーム源とを有している。
【００５３】
レーザトラッカ又はレーザスキャナの構成に関して、ビーム源を例えば、ベースによって規定される垂直軸周りに、そのベースに相対的に揺動可能に実施されている支持部内に設けることができるか、ベース内に設けることができ、その場合、放射されたビームを光学的なビームガイド素子によって照準合わせユニットに誘導することができる。この関係において、照準合わせユニットを例えばビーム偏向素子（例えばミラー）として形成することができる。
【００５４】
特に、走査装置及び／又はエアークラフトに伝送可能な信号は、エアークラフトに対応付けられている第１の処理ユニットにおいて、エアークラフトを制御するための制御データに変換することができる位置情報を有することができるか、又は、参照付け装置に対応付けられている第２の処理ユニットを用いて位置情報から求めることができる、エアークラフトを制御するための制御データを有することができる。
【００５５】
択一的又は付加的に、参照付け装置は、特にＧＰＳ、ＧＬＯＮＡＳＳ又はＧａｌｉｌｅｏによって代表される、ＧＮＳＳ信号を供給する少なくとも一つのＧＮＳＳ衛星を有することができ、また、走査装置及び／又はエアークラフトは受信ユニット、特にＧＮＳＳアンテナを有することができ、それによりＧＮＳＳ信号を受信することができ、その受信したＧＮＳＳ信号から走査装置の測定位置を決定することができる。
【００５６】
特に、本発明によれば、参照付け装置は位置決め信号を送信するための擬似衛星モジュールを有することができ、走査装置及び／又はエアークラフトの受信ユニットは、位置決め信号を受信でき、且つ、その受信した位置決め信号から走査装置の測定位置及び／又は測定配向を決定できるように構成されている。
【００５７】
走査装置又はスキャナを用いて局所的に測定された測定対象物表面の座標を上位の座標系に転用できるようにするために、走査装置をこの座標系に関して参照付けることができる。即ち、走査装置の各位置及び配向が測定された各点と結合される。
【００５８】
このために、参照付け装置として例えば測定システム（レーザトラッカ）又はＧＮＳＳシステム又は擬似衛星システムを利用することができ、その場合、エアークラフトに配置されているモジュールはそれらの外部のシステムと相互作用するか、又は、エアークラフトに適用されるパターンが受動的な決定に使用される。
【００５９】
例えばレーザトラッカ又はトータルステーションによって実施することができる参照付け装置における測定装置においては、エアークラフト及び／又は走査装置が反射器又は測定ビームを反射させるモジュールを有することができ、反射器は測定ビームが放射源に戻るように測定ビームを反射させることができる。測定システムは照準合わせ装置を有することができ、この照準合わせ装置は二つの軸において自動的にモータにより配向可能であり、従って、ターゲットユニットに対応付けられているレーザビームを反射器に正確に配向させることができる。更にシステムは配向角度を測定するための複数のセンサを有することができる。この状況において、反射器に照準が合わせられると、レーザトラッカに対するエアークラフト及び／又は走査装置の相対的な位置を一義的に決定することができる。更には、レーザトラッカは測定すべき対象物における所定の参照点を測定することによって対称系座標に合わせて較正することができ、従って対象物に対する走査装置の相対的な測定位置を導出できるようになる。エアークラフトを制御するために、それらの位置情報、また必要に応じて設けられている配向情報をエアークラフト又は走査装置に伝送することができる。一方では、このことはエアークラフト又は走査装置において制御データに変換することができる上述の情報の形態で実施することができ、他方では、それらの情報から既に測定ステーションにおいて制御データを生成し、制御のためにエアークラフト及び／又は走査装置に伝送することができる。
【００６０】
測定位置の参照付け又は決定はＧＮＳＳデータを用いることによって、又は、ホール内で擬似衛星から送信される信号を用いることによって達成することができる。このために、エアークラフト又は走査装置は適切な受信手段を有することができ、また位置情報を表す受信信号から固有位置を決定することができる。
【００６１】
擬似衛星からのＧＮＳＳに類似する信号の送信及び受信と同様に、ＵＷＢ（Ultra-Wide-Band）信号の送信を相応の超広帯域送信器によって行い、またエアークラフト側の受信を適切な受信器によって行うことができる。種々の送信器から受信した複数の信号、特に少なくとも三つのその種の信号から、やはりエアークラフトの位置を決定することができる。このために、例えば、信号及び送信器の既知の位置に基づき三辺測量を実施することができる。
【００６２】
本発明の範囲においては、参照付け装置が、走査装置及び／又はエアークラフトに対応付けられており、且つ、走査装置の測定配向及び／又は測定位置を決定するためのセンサユニットを有することができ、特に、傾斜センサ、磁力計、加速度センサ、角速度センサ及び／又は速度センサを有することができる。更に、走査装置及び／又はエアークラフトは、測定配向を表すマーカ、特に所定のパターン、擬似ランダムパターン、バーコード及び／又は発光ダイオードを有することができ、また、参照付け装置は、マーカを検出し、そのマーカの姿勢及び配置から走査装置の測定配向を決定するための検出ユニット、特にカメラを有することができる。参照付け装置のその種の構成によって、走査装置又はエアークラフトの配向又は測定配向に関する参照付けを行うことができる。つまり、内部センサによって、及び／又は、ビデオカメラと、そのビデオカメラによって記録された走査装置又はエアークラフトの画像の、配向決定のために設けられているマーカの姿勢及び配置に応じた画像処理によって、配向を検出及び導出することができる。配向を決定するためのセンサユニットは、３軸磁力計と組み合わされた三つの加速度センサ及び三つの角速度センサを備えている、いわゆるＩＭＵを有することができる。エアークラフトにおけるマーカに基づいてエアークラフトの配向を決定する場合、それらのマーカを既知の配置で設けることができる。即ち、マーカを既知のように相互に相対的に位置決めすることができ、また配向させることができる。それらのマーカ又はマーカの一部を続いてレーザトラッカにおけるカメラによって検出することができる。その際に検出された画像におけるマーカ相互の相対的な姿勢及び配向から、特に画像処理によって、エアークラフト又の配向又は方向を導出することができる。これに関して、マーカを例えばＬＥＤ（発光ダイオード）として実施することができる。この決定から、エアークラフト又は走査装置の三つの回転自由度を決定することができる。三つの並進自由度を決定することができる（また、擬似衛星を用いる位置決定によってそれらの三つの並進自由度を決定することができる）、レーザトラッカを用いた反射器への照準合わせによる位置決定と共に、６自由度、即ち三つの並進自由度及び三つの回転自由度を決定することができ、また空間内のエアークラフトの正確な姿勢及び配向を決定することができる。
【００６３】
更に、ターゲットユニット、即ちエアークラフト又は走査装置に配置されている検出器の方向へのレーザビームの放射が行われ、例えば配向決定装置のレーザビームの送信方向が規定される方法によって配向の決定を実施することができる。レーザビームの入射点の決定は検出器において行われる。この入射点から、ビームの入射方向が導出される。入射方向と送信方向とを結合させることによって、レーザ源に対して相対的な検出器の配向、従ってターゲットユニットの配向を決定することができる。その種の方法はWO 2008/138507から公知である。
【００６４】
配向決定のための類似の方法はWO 2006/097408に開示されている。この方法では、受信器に照準が合わせられた測定ビームによって規定される測定ビーム軸に対する受信器のオフセットに基づき配向を決定することができ、入射方向は検出器又は検出器の部分検出領域における測定ビームの入射点から導出される。
【００６５】
エアークラフトの配向に関する情報を提供するための別の公知の可能性では、エアークラフトの位置が追跡され、位置変化から移動方向が決定される。移動方向はエアークラフトの決定された配向に対応すると仮定すると、そこからエアークラフトの配向に関する情報を導出することができる。例えばＧＰＳによる連続的な位置決定によって、位置変化を決定することができる。
【００６６】
更に、空間内の対象物の位置及び回転姿勢又は配向を光学的な測定装置を用いて行うことができる。測定装置は結像光学系及び２次元の位置解像式の検出器を有することができる。対象物又はエアークラフトは既知のコードパターン、例えばバーコード又は擬似ランダムコードを有することができ、また測定装置によって検出されたパターンを評価することができる。それによって、検出されたコードの位置に応じて、空間内のエアークラフトのその都度の姿勢を推定することができる。この原理に対応する方法は例えばEP 1 066 497に開示されている。
【００６７】
更には、エアークラフト及び／又は走査装置の配向を決定するために、複数の受信器を無人航空機に配置することができ、その場合、各受信器はシュードライトからの各信号を受信することができる。これによって、各受信器に対して座標系における一つの位置を決定することができ、また、エアークラフトにおける受信器相互の既知の配置及び姿勢からエアークラフトの配向を決定することができる。
【００６８】
配向を決定するための前述の可能性を、６自由度（six degrees of freedom, 6-DoF）の正確な決定のため、従って空間内のエアークラフトの正確な姿勢を決定するために、エアークラフトの位置決定と組み合わせて使用することができる。更には、エアークラフト及び／又は走査装置が一つ又は複数のカメラによって規定されたパターンを用いて、周囲環境内、特に製造ホールにおける作業領域内で検出され、その検出されたパターンからエアークラフトの位置及び配向を導出できることによって、６自由度の決定、従ってエアークラフト又は走査装置の配向及び位置の参照付けを行うことができる。このためにパターンを例えば壁、天井及び／又は床に配置することができ、また、いわゆる擬似ランダムパターンとして構成することができる。
【００６９】
択一的又は付加的に、参照付け装置を光学系として構成することができ、そのような光学系はそれぞれ揺動可能な参照平面、特にレーザ平面を放射するための光学的な放射器を有している。それらの放射器から放射された平面によってそれぞれ一つの位置情報が提供されることによって、それらの放射器は従って一種の「光学シュードライト」として機能する。位置決定を実施するために、更に検出器及び／又は反射器を、エアークラフト及び／又は走査装置に設けることができ、それらの検出器及び／又は反射器は、放射された光学的なビームを検出するか反射することができ、それによって位置決定を実現することができる。複数の放射器を使用することによって、例えば検出可能な作業空間を拡大することができるか、又は、エアークラフトと利用可能な全ての放射器との間の視界が遮られることを阻止することができ、従ってシステムを冗長的に構成することができる。
【００７０】
本発明によれば、参照付け装置はエアークラフトの画像を検出するための距離画像検出ユニット、特にＲＩＭ（Range Imaging）カメラを有することができ、その検出により、画像から輪郭を導出することができ、及び／又は、画素に依存する、エアークラフト迄の距離データを導出することができ、またそのデータから測定配向及び／又は測定位置を決定することができる。更には、エアークラフトは測定周囲内に配置されている位置マーカ、特に所定のパターン又は擬似ランダムパターンを検出するための周囲検出ユニット、特にカメラを有することができ、画像において検出された位置マーカの姿勢及び配向から測定配向及び／又は測定位置の決定を実施することができる。
【００７１】
参照付け装置に対応付けられている距離画像検出ユニットを用いて、エアークラフトを点解像で検出し、各画素又は画素の各グループに検出値を対応付けることができる。「Range Imaging」のこの原理をカメラにおいて実現することができ、その際にカメラはエアークラフトに配向され、それによりエアークラフトを画像として検出することができる。検出されたデータから、例えばエアークラフトの輪郭を導出し、既知の目標輪郭と比較することができるか、又は、検出された輪郭を目標輪郭と一致するように立体的に変形させることができる。それにより求めることができる、検出された輪郭の目標輪郭に相対的な姿勢によって、エアークラフトの配向を推定することができる。更には、配向決定を上述の原理に応じてエアークラフトに取り付けられているマーカを用いて行うことができる。距離値を検出することによって、例えば距離値の平均値形成を介して、又は補正計算によって、カメラとエアークラフトとの間の距離を付加的に導出することができ、従って六つ全ての自由度を決定することができる。
【００７２】
逆の構成によって、即ち、エアークラフトに取り付けられているカメラによってエアークラフトの周囲におけるマーカを検出することによって、同様にエアークラフトの位置及び配向を求めることができる。これに関して、測定周囲におけるマーカの姿勢は既知であると考えられるか、又は正確に規定されていると考えられる。このために、カメラを用いて例えば所定のパターンを検出し、検出された画像におけるパターンの位置及び大きさから、測定配向及び／又は測定位置を推定することができる。
【００７３】
本発明の対象物は更に、対象物表面、特に工業製品の測定点の３Ｄ座標、特に複数の３Ｄ座標を外部対象物座標系において決定するための方法である。このために、三角測量の原理を基礎として対象物表面の測定点を光学的に走査する、特に点毎に空間的にずらして局所的に光学的に走査し、内部走査座標系において局所的な測定点座標を決定するステップと、参照付け情報を形成する、特に外部対象物座標系において局所的な測定座標を参照付けるための外部の測定位置及び測定配向を形成するステップと、局所的な測定点座標及び参照付け情報に依存して外部対象物座標系において測定点の３Ｄ座標を決定し、それにより局所的な測定点座標を外部対象物座標系における３Ｄ座標として、特に点群として存在させるステップとが設けられている。更に、無人制御可能なオートモービル・エアークラフトによって走査のオフセットが行われ、特にその際、エアークラフトはホバリング状態で配向及び移動される。更に本発明によれば、決定されたその都度最新の内部測定点座標を考慮して、及び／又は、ディジタルモデルによって事前に規定された、そのディジタルモデルによって規定された飛行ルートに沿った対象物表面を考慮して、エアークラフトは、事前に規定された測定距離範囲、特に測定距離を維持しながら自動制御で対象物表面に相対的に移動される。
【００７４】
その種の方法によって、特に、走査位置のオフセットによって、対象物の表面座標を完全に自動的に決定することができ、その際、表面の測定点の検出は、エアークラフトが飛行しながら走査を連続的又は継続的にずらすことによって行われる。しかしながらこの検出だけでは、包括的な対象物情報を取得することはできず、単に局所的な各測定点が走査又は測定されるに過ぎない。包括的な対象物情報を形成するために、即ち対象物座標系、例えば表面を表す点群における表面経過を形成するために、その都度測定された点座標を上位の座標系に転用して統合する必要がある。本発明では、二つの座標系間の参照付けによってその種の転用を実現することができる。その結果として、点解像の対象物画像が得られ、この対象物画像を特に画像と目標値との比較による品質保証のために使用することができる。
【００７５】
本発明によれば、エアークラフトが、特に連続的に決定された、外部測定位置及び外部測定配向に依存して、また対象物表面迄の測定距離に依存して自動制御で対象物表面に相対的に移動及び配向される。これによって、表面迄のエアークラフトの距離に依存して、また表面に対するその都度の配向及び位置に依存して、対象物表面に対する移動に適合されてエアークラフトが常に制御されることによって、対象物表面を正確に測定することができる。付加的に、エアークラフトを、測定すべき対象物に自動的に配向させることができる。
【００７６】
本発明による方法の範囲においては、測定点の測定を、特にスキャンストライプを形成するスキャン装置を用いて光学的にスキャンすることにより行う、及び／又は、測定点座標を決定するために画像シーケンスを使用する測定システムを用いて光学的に行うことができる。測定プロセスに課される要求に応じて、対象物における適合された測定を実施することができる。各測定方式は例えば、要求される点解像又は測定速度に応じて選択することができ、また対象物表面を相応に測定することができる。ラインスキャナ又は三角測量スキャナは、表面の行毎の測定を実施することができる一般的な測定手段である。スキャナの同時的な相対移動が行われる場合、特に内部のスキャン方向に対して垂直な相対移動が行われる場合には、２次元の測定を行うことができる。
【００７７】
更に本発明の範囲においては、エアークラフトによって完全に自律的なデータ検出を行うことができる。このためにエアークラフトは測定プロセスの開始後に、特に測定領域又は測定体積の規定によって設定することができる測定周囲を自動的に探し出し、その測定周囲内を移動し、測定データ、即ち点迄の距離及び点の座標を収集することができる。これによって、緩慢に測定体積を完全に測定し、その測定体積の幾何学的なディジタルモデルを例えばＣＡＤベースで作成することができる。このためにエアークラフトは例えば、測定対象物、例えば飛行機の内部を飛行することができ、その際に、例えば、内壁及び内部空間における技術的な装置をスキャン装置によって検出及び測定することができ、また、飛行ルートを連続的に自動的に適合させ、まだ測定していない領域へとエアークラフトを移動させることができる。更には、エアークラフトをこの測定に基づき、場合によっては存在する障害物を迂回して飛行させることができ、従って比較的複雑な内部空間又は対象物の測定も実施することができる。測定周囲の自動的で完全な測定が行われた後には、エアークラフトをその出発点へと戻し、その出発点に着陸させることができ、また収集したデータを提供することができる。
【００７８】
本発明によれば、択一的又は付加的に、対象物表面の位置及び／又は目標経過を事前に規定することができ、特に、ディジタルモデル、とりわけＣＡＤモデルによって設定することができ、特に、事前に規定された対象物表面に基づき、各表面目標座標が各３Ｄ座標と比較され、また特に、事前に規定された参照点の参照付けによって参照付け装置が対象物表面に参照付けられる。更には、エアークラフトを飛行ルートに沿って移動させることができ、その場合、飛行ルートを表面位置及び表面経過に依存して、特に自動的に決定することができる。
【００７９】
目標表面の設定によって、その目標表面に基づき、表面に沿ったエアークラフトの制御を行うことができ、更には、表面とエアークラフトとの間の所定の距離を維持し、その距離を空けて飛行ルートを飛行することができる。
【００８０】
本発明によれば、スキャン経路、スキャン時間、スキャン精度、エアークラフトの移動安定性、エアークラフトの位置決定及び配向決定に関して、及び／又は、対象物迄の、特に障害物迄の距離を決定することができる衝突回避に関して、飛行ルート及び／又は飛行速度を最適化することができる。
【００８１】
更に、スキャンストライプを飛行ルートに依存して少なくとも部分的に重畳させることができ、それによって、スキャン精度、スキャン経路及びスキャン時間を調整することができる、及び／又は、それによってエアークラフトの移動及び配向及び／又は測定配向をスキャンストライプの重畳領域の分析によって、特に画像処理によって決定することができる、及び／又は、位置調整することができる。
【００８２】
飛行ルートの最適化及び適合を測定の要求に応じて実施することができる、及び／又は、自動的に実行することができる。例えば、エアークラフトの移動が飛行曲線を表し、この飛行曲線が実質的に小さい曲率半径を有しておらず、それによってエアークラフトの十分に均一な前進が実現されるように飛行ルートを自動的に決定することができる。従って、特に不意の制動操作又は加速操作を阻止することができるか、最小限にすることができ、その結果、測定時間の短縮及び測定精度の向上を達成することができる。また、飛行路における例えば可動の機械部のような障害物を考慮することができ、また自動的な適合を実施することもできる。更には制御特性を改善するために、エアークラフトと、機器と相互作用する装置との間の視界を飛行路の適合によって維持することができる。
【００８３】
走査をシフトさせた際に生じるスキャンストライプの重畳比の選択によって、例えば５％から５０％の間の重畳比を選択することによって、スキャン精度を更に上昇させることができる。それに伴い、これはスキャン速度及びスキャン時間にも影響を及ぼすと考えられる。重畳部を大きくすることによる精度の上昇は測定時間を延長させる可能性がある。また、速度と時間は反比例すると考えられる。即ち、スキャン速度が上昇すると、所要スキャン時間は短縮される。更には上述の重畳によって、エアークラフトの配向及び移動を継続的に「オン・ザ・フライ」で行うことができる。このために、重畳領域を画像処理によって分析することができ、例えば、重畳している二つの隣接するストライプにおいて一致しているパターンが探索され、それに基づき、配向又は位置の参照付けを行うことができる。
【００８４】
更に本発明によれば、方法の範囲において、位置決め信号、特に擬似衛星から供給される信号及び／又はＧＮＳＳ信号を受信することができ、特に、このＧＮＳＳ信号はＧＰＳ信号、ＧＬＯＮＡＳＳ信号又はＧａｌｉｌｅｏ信号によって表され、また受信した位置決め信号から外部の測定位置を決定することができる、及び／又は、特にエアークラフトにおいて反射される測定ビームを用いる外部の測定位置の決定を行うことができる。
【００８５】
内部座標系から外部座標系への測定座標の転用を実行することができる参照付けのために、エアークラフトの相対的又は絶対的な位置決定のための信号を供給し、またそれらの信号をエアークラフトにおいて受信することができる。従って、走査によって検出された測定座標をそれぞれの外部位置情報及び／又は時間情報と結合し、それらのデータの組み合わせから、測定すべき対象物に対する相対的な位置、及び／又は、測定された点の測地的に正確な位置を導出することができる。更には、参照付けのために、測定ビーム、例えばレーザビームをエアークラフトにおいて、特に専用の反射ユニットにおいて反射させ、その反射されたビームからエアークラフトの位置決定を行うことができ、またそれに伴い参照付けを行うことができる。更に測定ビームを連続的又は継続的に飛行方向に配向させ、参照付けを永続的に行うことができる。
【００８６】
本発明によれば、ピッチ方向及びロール方向及びヨー方向における測定配向を決定することができ、特に、エアークラフトに対応付けられている内部のセンサユニットを用いた決定、特に傾斜センサ、磁力計、加速度センサ、角速度センサ及び／又は速度センサを用いた決定を行うことができる。択一的又は付加的に、測定配向の決定を、エアークラフトに対応付けられている、測定配向を表すマーカと、特に発光ダイオードと、マーカの姿勢及び配置から測定配向を決定するためのマーカの特にカメラを用いた検出とを組み合わせることによって行うことができる。
【００８７】
エアークラフトの６自由度（三つの並進自由度及び三つの回転自由度）の決定を更に機器の配向を決定することによって行うことができる。このために、エアークラフトに対応付けられているセンサ、即ち内部センサを使用することができる。例えば、（少なくとも三つの加速センサ及び三つの回転率センサを備えている）ＩＭＵ及び３軸磁力計をエアークラフトに組み込むことができ、それらによって連続的に、重力場及び方位角に相対的にエアークラフトを正確に配向させることができる。つまり、エアークラフトから検出ユニット迄の照準線に依存せずに配向を正確に決定し、その配向をエアークラフトの制御のために考慮することができる。例えばカメラ迄のその種の照準線が存在する場合には、エアークラフトに設けられているマーカをカメラによって検出し、検出された画像におけるマーカの姿勢及び配向を特に画像処理によって評価することができる。これによって同様に、座標系に相対的な三つまでの軸におけるカメラの位置を考慮して、カメラに相対的なエアークラフトの配向を決定することができる。
【００８８】
特に本発明によれば、測定配向を、垂線方向に対して特に自動的に平行に配向させることができ、及び／又は、所期のようにエアークラフトの配向に相対的に配向させることができ、特に、ジンバルによって、及び／又は、測定配向を所期のように配向させるための配向手段によって行うことができ、特にその際に、二つの軸、とりわけ三つの軸における揺動を行うことができる。択一的又は付加的に、情報及び／又は制御命令、特に対象物データをエアークラフトに入力することができる、及び／又は、情報、特に形成された点群を特にディスプレイに出力することができる。
【００８９】
対象物を測定又は走査する際に、常にジンバルによって実現される、垂線方向に対して平行な走査の配向又は測定配向を達成することができる。例えば、均一で平坦な表面を測定するために、その種の装置を使用することができる。測定配向をエアークラフトに相対的に所期のように偏向及び揺動させることができる配向手段によって、例えば、測定対象物のアクセスが困難な箇所では、スキャン方向を適合させることができ、従って走査を容易なものにすることができる。更にこの場合には、エアークラフトに相対的な走査の配向及びその変化を検出することができ、また測定点座標又は３Ｄ座標を決定する際に考慮することができる。
【００９０】
特に、エアークラフトを制御するために、制御命令をエアークラフトにおいて入力することができる、及び／又は、エアークラフトのために設けられている遠隔制御部によってエアークラフトに伝送することができる。伝送はエアークラフトと参照付け装置及び／又は遠隔制御部との間でケーブルを介して行うことができ、更には、エアークラフトのエネルギ供給もそのケーブルによって行うことができる。これによって、例えば、エアークラフトにおける回転翼の回転速度又は回転翼の配向を制御することができ、従って、エアークラフトを所期のように移動させることができる。更に、測定対象物についての情報を入力することができ、それによってエアークラフトの自動的な制御をサポート及び／又は実施することができる。エアークラフト及び／又は遠隔制御部におけるディスプレイを介して、特に走査プロセスの間に情報を例えばユーザに提供することができる。例えば、測定された点を表示し、測定の進捗状況を追跡することができる。
【００９１】
本発明の対象物は更に、本発明による測定システムにおいて使用するための無人制御可能なオートモービル・エアークラフト、特に無人航空機であり、とりわけ、エアークラフトはホバリング状態で配向及び移動が可能である。外部対象物座標系に相対的にエアークラフトを制御するために制御データを受信することができる、及び／又は、エアークラフトを制御するための制御データを処理ユニットによって、エアークラフトの飛行配向及び飛行位置を決定するための受信した参照付け情報から導出することができ、特に、飛行配向をエアークラフトに対応付けられている配向決定ユニットによって決定することができる。エアークラフトは、三角測量の原理を基礎とする光学的な走査装置を備えており、この光学的な走査装置は、対象物表面の測定点を光学的に走査し、特に点毎に走査し、内部走査座標系において内部測定点座標を決定するためのものである。更に、内部測定点座標を外部対象物座標系において参照付けできるように処理ユニットは構成されており、また、外部対象物座標系における測定点の３Ｄ座標の決定を、内部測定点座標及びその内部測定点座標の参照付けから行うことができ、それにより、内部測定点座標は外部対象物座標系における３Ｄ座標として、特に点群として存在する。更には、エアークラフトを制御するための制御データは以下のように構成されている。即ち、走査装置を用いて決定されたその都度最新の内部測定点座標を考慮して、及び／又は、ディジタルモデルによって事前に規定された、ディジタルモデルによって規定された飛行ルートに沿った対象物表面を考慮して、事前に規定された測定距離範囲、特に測定距離を維持しながら対象物表面に相対的にエアークラフトが自動的制御で移動されるように制御データは構成されている。
【００９２】
本発明の範囲においては、本発明によるエアークラフトの制御データを更に以下のように構成することができる。即ち、特に連続的に決定される測定位置及び測定配向に依存して、及び／又は、走査装置を用いて決定される、対象物表面迄の測定距離に依存して、対象物表面に相対的にエアークラフトを自動制御で移動及び配向可能であるように制御データを構成することができる。更に本発明によれば、走査装置は、エアークラフトの移動時にスキャンストライプを形成することができる光学的なスキャン装置、及び／又は、測定点座標を決定するために画像シーケンスを使用する測定システムを有することができ、特に、走査装置はラインスキャナ、ストライプ投影スキャナ及び／又はカメラを有することができる。更には、配向決定ユニットはセンサユニット、特に傾斜センサ、磁力計、加速度センサ、角速度センサ及び／又は速度センサを有することができる、及び／又は、エアークラフトは対象物迄の距離を測定するための距離測定センサ、特にレーダを有することができる。
【００９３】
特に本発明によれば、エアークラフトは走査装置の所定の配向のために、特に走査装置の垂線方向に対して自動的に平行に配向するために、ジンバル及び／又は走査装置を配向させるための配向手段を有することができ、特に、走査装置は二つの軸、とりわけ三つの軸において揺動可能である。更に、本発明によるエアークラフトは、情報及び／又は制御命令、特に対象物データを入力するための入力ユニット、特にキーボード、タッチセンシティブディスプレイ、データインタフェース、及び／又は、情報、特に形成された点群を出力するための出力ユニット、特にディスプレイを有することができる、及び／又は、エアークラフトを制御するための遠隔制御部を有することができる。特に、遠隔制御部は情報及び／又は形成された点群を表示するためのディスプレイを有している。
【００９４】
エアークラフトは自動制御で対象物の測定又は走査を実施できることを特徴とする。このために、エアークラフトを例えば回転翼によって、また回転翼の配向によって配向させ、対象物表面に沿って移動させることができる。対象物表面迄のエアークラフトの測定距離を制御のために継続的に考慮することができ、その距離はエアークラフトに設けられているスキャナによって決定することができ、このスキャナはそれと同時に表面測定も実施することができる。エアークラフトを制御するための制御データは更に、エアークラフト及び測定対象物の位置情報及び配向情報を有することができ、それらの情報に基づきエアークラフトを移動させる手段を適切に制御することができる。つまり、スキャナを対象物表面に相対的に、特にスキャン方向に実質的に垂直に連続的にずらすことができるか、又は移動させることができ、また表面をスキャナによって検出することができる。走査を点毎に行うことができる。即ち、表面を所定の点解像度、特にスキャナによって検出された１ｍｍ当り１００個迄の測定点の解像度で、及び／又は、時間解像度で、特に測定点を所定の時間間隔で何度も測定することによって走査することができる。このために例えば、対象物表面の一部、特にスキャンストライプの上を何度も往復して測定が行われるようにエアークラフトを制御することができる。エアークラフトの現在の位置及び配向の参照付けによって、そのようにして測定された点及び決定された座標を上位の座標系に転用することができ、また対象物を少なくとも部分的に、特に完全に検出することができる。
【００９５】
その種のエアークラフトのための走査装置として、特に、三角測量を用いて点測定を実現するスキャナ、例えばラインスキャナを使用することができる。その種のシステムは表面を行毎に検出することができ、またシステムの固有の移動によって面を走査することができる。測定すべき対象物に相対的なスキャンユニットの配向を調整することができ、また測定条件を適合させることができる。このためにエアークラフトに配向手段を設けることができ、この配向手段によってスキャンユニットの配向を実現することができる。所期のようなスキャナ配向のための前提である、対象物に相対的なエアークラフトの配向を決定するために、更なるセンサ、例えばＩＭＵをエアークラフトに設けることができる。
【００９６】
本発明によれば、外部対象物座標系において対象物表面の測定点、特に工業製品の測定点の３Ｄ座標、特に複数の３Ｄ座標を決定する測定システム用の、三角測量の原理を基礎とする光学的な走査装置を設けるために、無人制御可能なオートモービル・エアークラフトを使用することができる。
【００９７】
本発明の別の対象物は、特にプログラムが電子データ処理ユニットにおいて実行される場合に、本発明による方法を実施するためのプログラムコードを有している、電磁波によって実施されるコンピュータデータ信号、又は、機械読み出し可能な担体に記憶されているコンピュータプログラム製品である。制御命令が特にアルゴリズムの形態で設けられており、それらの制御命令によって、無人制御可能なオートモービル・エアークラフトを用いて対象物表面の３Ｄ座標を決定するための本発明による方法を実施することができるように、コンピュータプログラム製品又はコンピュータデータ信号を構成することができる。
【００９８】
以下では、本発明による方法及び本発明による装置を、図面に概略的に示した具体的な実施例に基づき単に例示的に説明する。これは本発明の更なる利点にも対応する。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】従来技術による測定システムを示す。
【図２】エアークラフトと、エアークラフトの位置及び配向を決定するための測定ステーションとを備えている本発明による測定システムを示す。
【図３】二つのレーザトラッカ及びエアークラフトを備えている本発明による測定システムの別の実施の形態を示す。
【図４】擬似衛星及びエアークラフトを備えている本発明による測定システムの別の実施の形態を示す。
【図５】本発明によるエアークラフトに関する二つの飛行ルートを示す。
【発明を実施するための形態】
【０１００】
図１には、従来技術による、対象物６０の３Ｄ座標を決定するための測定システム５０が示されている。測定システム５０は、カメラ５２を備えているレーザトラッカ５１とモバイルスキャンユニット５３とを有している。スキャンユニット５３には更に複数のマーカ５４が取り付けられており、それらのマーカ５４がカメラ５２によって検出され、それらのマーカの姿勢及び配置から画像処理プロセスによってスキャンユニット５３の配向を決定することができる。更に、レーザトラッカ５１から測定ビーム５５が放射され、その測定ビーム５５を用いてスキャンユニット５３における反射器５６に照準が合わせられる。これによって、スキャンユニット５３の、対象物６０に相対的な位置及びレーザトラッカ５１に相対的な位置を決定することができる。更に、スキャナ５３においてはスキャンビーム５７が放射され、そのスキャンビーム５７によって対象物表面が走査され、表面のそれぞれの位置の局所的な測定座標が決定される。この配置構成によって、そのようにして測定された対象物６０における測定点がレーザトラッカ５１を用いて対象物座標系において参照付けられ、対象物６０の包括的な３Ｄ座標を形成することができる。特に対象物６０に相対的なレーザトラッカ５３の既知の位置及び配向を考慮して、測定座標と、スキャンユニット５３の決定された最新の位置及び配向とを結合するために、評価ユニット５８が設けられている。その種の測定システム５０は、例えば工業生産においては、例えば飛行機又は自動車を測定する際に使用され、また生産に付随してワークピースの品質管理も実現することができる。
【０１０１】
図２には、本発明による測定システム１０の一つの実施の形態が示されている。レーザトラッカ３０として実施されている参照付け装置は、検出ユニット３１、例えばビデオカメラ、測定ビーム３３を放射するための照準合わせユニット３２及び評価ユニット３４を有している。更に、信号３５をエアークラフト２０に伝送することができる。エアークラフトはスキャナとして実施されている走査装置２１を有しており、この走査装置２１はスキャン又は走査のためのビーム２２を測定すべき対象物６０の方向に放射する。更に、エアークラフト２０には、レーザトラッカ３０から放射された測定ビーム３５を反射させるための反射器２３及びマーカ２４、特に発光ダイオードが所定の姿勢及び配置構成で配置されている。更にエアークラフト２０は、少なくとも二つ、特に四つの回転翼２５（透視図で示されている）を有しており、それらの回転翼によってエアークラフト２０の飛行移動が実現される。
【０１０２】
対象物６０を測定するために、ＣＡＤデータから既知である対象物６０の位置にある参照点６１に照準が合わせられ、それによって、レーザトラッカ３０を対象物座標系に合わせて較正することができる。エアークラフト２０を対象物表面に応じて対象物６０に沿って移動させることができ、その際にスキャナはスキャンビーム２２を用いて、移動中に対象物表面における測定点を走査する。その際に、スキャン側では、それぞれの表面点の局所的な測定点座標を決定することができる。
【０１０３】
包括的な表面経過を検出又は測定するために、対象物座標系における局所的な座標の参照付けを行うことができる。このために一方では、検出ユニット３１によってマーカ２４が検出され、それによって形成されたマーカ２４を含む画像が例えば画像処理によって評価されることによってエアークラフト２０の配向が決定される。エアークラフト２０におけるマーカ２４の所定の配置構成と、画像内のマーカの姿勢によって正確な配向を決定することができる。また他方では、レーザトラッカ３０の照準合わせユニット３２から放射された測定ビーム３３を用いて反射器２３に照準が合わせられることによって、エアークラフト２０の位置が決定される。ビーム３３が反射されると、そのビーム３３はレーザトラッカ３０によって検出され、また例えば、測定レーザパルスの伝播時間と、照準合わせユニット３２の決定された配向とから、レーザトラッカ３０に相対的なエアークラフト２０の正確な位置が決定され、その情報を用いて３Ｄ対象物座標を特に評価ユニット３４によって導出することができ、また点群として表し、ＣＡＤモデルに移行させることができる。それと同時に、ＣＡＤデータに存在する目標座標からの所定の座標の場合によっては生じる偏差を特定し、また例えば、ディスプレイ上にカラー表示することができる。更には、レーザトラッカ３０からエアークラフトに送信される信号３５を用いてエアークラフトを制御することができ、その制御のために対象物６０に相対的なエアークラフト２０の距離、位置及び配向を考慮することができる。
【０１０４】
測定システム１０による測定の前に、ユーザはＣＡＤモデルを基礎とする相応のソフトウェアを用いて、対象物６０の測定すべき領域、例えば車両の屋根を規定することができる。ＣＡＤモデルとレーザトラッカ３０の空間的な関係を、ＣＡＤモデルにおいて座標として設定されている、車両における少なくとも三つの参照点６１の較正によって決定することができる。対象物の一部を選択した後に、最適な飛行ルートを算出することができる。その際に、スキャナ２１の例えば４０ｃｍの最適な距離が、スキャンによって生じるスキャンストライプの例えば２０％の重畳領域と同様に考慮される。
【０１０５】
測定プロセスがユーザによって開始されると、エアークラフト２０の現在の位置及び配向をレーザトラッカ３０によって即座に検出し、評価ユニット３４に伝送することができる。検出された値を、算出された飛行ルートに基づく目標値を用いて補償調整し、それにより、無線によってエアークラフト２０に伝送することができる信号３５を導出することができる。従って、エアークラフト２０の位置及び配向を連続的に修正し、所定の飛行ルートに適合させることができる。
【０１０６】
エアークラフト２０が検出すべき対象物６０に到達すると、スキャナ２１は表面点の走査を即座に開始することができる。測定点座標も同様に無線を介して評価ユニット３４に伝送することができ、その評価ユニット３４においては、測定点座標をエアークラフト２０の検出された位置及び配向と共に処理し、記憶することができる。
【０１０７】
図３には、本発明による測定システム１０の別の実施の形態が示されている。エアークラフト２０の参照付けのため、即ち６自由度、つまりエアークラフト２０の位置及び配向を決定するために、この実施の形態においては、カメラ３１ａ，３１ｂと測定ビーム３３ａ，３３ｂを放射する照準合わせユニット３２ａ，３２ｂとをそれぞれ一つずつ備えている二つのレーザトラッカ３０ａ，３０ｂが設けられている。エアークラフト２０には、やはり、参照付け装置若しくは二つのレーザトラッカ３０ａ，３０ｂと相互作用するための手段が設けられており、マーカ２４は配向を定め、反射器２３は位置を定める。対象物６０のスキャンはスキャナ２１を用いて行われる。更に制御ユニット４０が設けられており、この制御ユニット４０によってエアークラフト２０を制御することができる。このために、制御ユニット４０は、エアークラフトのその都度最新の位置及び配向を表すことができる、レーザトラッカ３０ａ，３０ｂからの信号３５を受信することができ、またその信号３５を送信することができ、送信された信号３５はエアークラフトによって受信することができる。送信される信号３５は制御データを表すことができ、それらの制御データは参照付け情報を考慮して、即ち、スキャナ２１の位置及び配向を考慮して形成されており、また対象物表面の知識に基づき、対象物６０に沿ったエアークラフト２０の制御を実施できるようにする。
【０１０８】
更に、制御ユニット４０は既存のＣＡＤデータに依存して、例えば対象物６０のディジタル表面モデルに依存して、エアークラフト２０が所定のルートに沿って、例えば実質的に表面経過に平行に移動され、その際に付加的に、スキャナ２１によって求めることができる対象物表面迄の距離も考慮されるように、エアークラフト２０の制御を実施することができる。
【０１０９】
更に、この実施の形態においては、エアークラフト２０の制御を冗長的に構成することができる。例えば、レーザトラッカ３０ａ及び３０ｂの内の一方とエアークラフト２０との間の視界が遮られると、位置決定及び配向決定を他方のレーザトラッカ３０ｂ，３０ａによって更に実施し、エアークラフト２０を制御することができる。このために、視界が遮られていることが確認されると、即ち、レーザトラッカ３０ａ，３０ｂがエアークラフト２０におけるマーカ２４及び／又は反射器２３をもはや検出できなくなると、エアークラフト２０の追跡又は距離測定を一方のレーザトラッカ３０ａ，３０ｂから他方のレーザトラッカ３０ｂ，３０ａに移行させることができ、それによって、照準線が遮られた場合であっても測定システム１０の動作を保証することができる。
【０１１０】
図４には、空間内に分散されて設けられている擬似衛星７０ａ，７０ｂ、いわゆる「シュードライト」を用いる、エアークラフト２０のための、例えば生産ホールにおける測定のための、参照付け装置として構成されている屋内位置決めシステムを備えている、本発明による測定システム１０の別の実施の形態が示されている。ここでは例示的に二つの擬似衛星７０ａ，７０ｂが示されているが、参照付けのための別の「シュードライト」を設けることもできる。例えば、四つのその種の擬似衛星の信号からエアークラフト２０の位置を一義的に決定することができる。特に、複数の信号が共通の時間軸を有している場合、正確な位置決定のためには三つの擬似衛星から信号を受信すれば十分であると考えられる。エアークラフト２０又は無人航空機は更に三つの方向（斜め下方又は上方）に配向されているサンプリング装置２１ａ，２１ｂ，２１ｃ、例えば三角測量スキャナと、擬似衛星７０ａ，７０ｂから送信された信号７１を用いて位置決定を実現する受信ユニット２６とを有している。信号７１は位置情報を表すことができ、その位置情報を用いて、実質的にＧＮＳＳシステムと同様に、複数の信号７１の受信時の相対的な位置決定が実現される。更に、（三つの加速度センサと三つの角速度センサとから成る）慣性計測装置（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）と３軸磁力計とから成るセンサユニット２７をエアークラフト２０に組み込むことができる。このセンサユニット２７を用いて、上位の対象物座標系に関連付けられた、エアークラフト２０の位置及び配向を決定することができ、従って、それぞれのスキャナ２１ａ，２１ｂ，２１ｃの局所的な座標系の参照付けを、対象物座標系を用いて行うことができる。更に、エアークラフト２０に処理又は計算ユニット２８を設けることができる。
【０１１１】
ユーザはＣＡＤモデルに基づき、対象物６０の測定すべき領域をオフィスコンピュータにおいて規定することができる。つまり、対象物座標及び最適化すべき判定基準に応じて飛行ルートを算出することができ、その飛行ルートを例えばケーブルコネクションを介して、又は無線によって、エアークラフト２０の計算ユニット２８に伝送し、その計算ユニットに記憶することができる。
【０１１２】
プロセスがユーザによって開始されると、現在の位置及び配向が受信ユニット２６及びセンサユニット２７によって即座に決定され、計算ユニット２８に伝送される。検出された位置値及び配向値を、計算された飛行ルートの目標値によって調整し、その調整に基づきエアークラフト２０のルート２５に関する制御信号を導出することができる。それらの制御信号によって、エアークラフト２０の姿勢を飛行ルートに適合させることができる。
【０１１３】
表面測定に関する目標距離又は目標領域に達すると、対象物６０に対向するスキャナ２１ｂは表面点の座標の決定を開始することができる。それらの表面点を参照付け情報と一緒に、即ちエアークラフト２０の位置及び配向に関して検出された値と一緒にメモリに格納することができる。測定を実施した後及び／又は測定中に、測定値又は測定座標をエアークラフト２０からケーブルコネクションを介して、又は無線によってコンピュータ及び／又は評価ユニットに伝送することができる。そのコンピュータ及び／又は評価ユニットにおいては、参照付け情報に依存する局所的な座標をＣＡＤシステムにおけるそれぞれの座標へと変換することができ、また、対象物６０の実際状態と目標状態との比較を実施することができる。
【０１１４】
図５には二つの最適化された飛行ルート８１，８２が示されており、対象物表面６５を測定するために、それらの飛行ルート８１，８２に沿ってエアークラフト２０を移動させることができる。表面６５を完全に測定し、それと共に可能な限り短い測定時間を達成するために、飛行ルート８１でもって、エアークラフト２０の可能な限り短い飛行経路が達成されるが、ルート８２では短い曲率半径を回避することができる道程が規定される。ルート８２を飛行する場合には、それと同時により高い測定精度を達成することができる。何故ならば、ルート８２の経過によって少なくとも表面６５の部分領域を複数回通過する飛行が行われ、従ってそれらの部分領域を複数回測定することができるからである。いずれの飛行ルート８１，８２を、測定すべき対象物の表面モデルに基づき決定し、測定の要求に応じて最適化することができる。更には、上述のように、それぞれの飛行ルート８１，８２の修正又は適合を、エアークラフト２０と対象物表面６５との間の決定された測定距離、特に連続的に決定された測定距離に依存して、及び／又は、飛行移動中に検出された障害物に依存して行うことができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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